소금은 물에 녹지만 기름은 왜 녹지 않을까요?
음, 한마디로, 화학적 성질 때문입니다.
하지만 이렇게 말하면 만족스럽지가 않죠?
소금은 물에 녹지만 기름이
물에 녹지 않는 이유는
크게 두가지로 설명됩니다.
에너지학,
그리고 엔트로피 때문이죠.
에너지학은 주로 두 물체 사이의
인력, 즉 서로 잡아당기는 힘을 다룹니다.
물에 있는 기름과 소금물을 살펴볼 때,
우리는 입자 사이의
매우, 매우, 매우 작은 규모의 힘에 초점을 맞춥니다.
분자 수준까지 말입니다.
어느 정도인지 알려드리자면,
물 한잔에는
우주에서 우리가 알고 있는 별보다
더 많은 분자들이 있습니다.
이 분자들은 끊임없이 움직이고
이동하고, 진동하고, 회전합니다.
이 분자들이 컵 밖으로
빠져나가지 못하게 하는것은
분자 사이의 인력인데,
물과 물 그리고 다른 물질들 사이에서
상호 작용하는 이러한 힘(인력)은
'에너지학'이라고 부르는 것 입니다.
우리는 물분자가 스퀘어 댄스(4인 1조의 춤)처럼
무작위로 끊임없이
상대를 바꿔가면서 춤추는
댄스 파티에 참여했다고 생각하면 됩니다.
간단히 말해서 물과 상호 작용하는
물질의 능력은
물이 자기 자신과 상호 작용 방법을
방해하는 방식과 균형을 이루고 있는데,
이것이 왜 어떤 것들은 물에 잘 녹고
다른 것은 아닌지를 설명하는데
중요한 역할을 합니다.
기본적으로 엔트로피는
어떻게 물질과 에너지가 무작위적으로 정렬되는지
설명해 줍니다.
방 안의 공기를 예로 들어보죠.
공간 안에 공기를 이루는 엄청난 수의 분자가
만들어낼 수 있는 다양한 배열을
상상해 봅시다.
이런 배열중에는
모든 산소 분자는 이 쪽에만 있고
모든 질소 분자는 반대쪽에만 있을 수도 있을 겁니다.
분리된 거죠.
하지만 훨씬 더 가능성이 큰 배열은
이 두 분자가 서로 섞여있는 경우이겠죠.
네, 엔트로피는 섞이는 걸 좋아합니다.
에너지학은 인력을 다룹니다.
그리고 인력이 있으면
특정한 배열이 나타날 가능성이
높아지죠.
서로 끌어 당기는 것이 있는 그런 것 말이죠.
이 둘 사이의 균형은 항상
어떤 현상이 일어날지를 결정합니다.
분자 수준에서
물은 물 분자로 구성되어 있죠.
물 분자는 두 개의 수소 분자와 하나의 산소 분자로 이루어져 있고요.
물에 있는 이러한 분자들은
지속적이고 무작위적인 스퀘어 댄스 파티에 참여한 것이죠.
이것이 수소결합 네트워크라 불립니다.
엔트로피는 스퀘어 댄스가 항상
진행되는 것을 좋아합니다.
스퀘어 댄스에는 모든 물 분자가
정렬할 수 있는 방법이
더 많이 있습니다.
물 분자가 줄지어 춤을 추는 것과
비교해서 말이죠.
그래서 스퀘어 댄스는 계속 진행됩니다.
그렇다면 소금이 들어오면 어떤 일이 생길까요?
분자 수준에서
소금은 사실 두개의 다른 이온으로 구성되어 있습니다.
염소와 나트륨인데
이것은 벽돌처럼 쌓여있죠.
소금은 댄스 파티에
큰 그룹으로 등장해서
처음엔 옆에 앉아있는데
수줍음 많아서
개별 이온으로 분리되기 싫어합니다.
하지만 비밀스럽게 부끄럼 많은 춤꾼들은
누군가 먼저 춤추자고 해주기를 기다리고 있어요.
물 분자는 우연히 그리고 무작위로
소금 하나를 만나 그룹으로 부터 떼어내
댄스 무대로 이끕니다.
그리고 한번 춤에 빠진 소금은
돌아오지 않죠.
사실, 소금 이온이 스퀘어 댄스장에 오면
춤추는 위치의 종류가 더 많이
생기기 때문에
소금 이온이 물 분자와 춤추는 것은 장려됩니다.
이제 기름을 봅시다.
기름 분자는 물과 춤을 추는 것에
흥미를 가지고 있습니다.
엔트로피 또한 기름이 춤추는것에 찬성하죠.
기름 분자의 문제는
아주 큰 의상을 입었서
물 분자보다도 훨씬 더 크다는 것입니다.
기름 분자가 들어왔을 땐
이들의 크기가 춤을 추거나
무작위로 상대를 바꾸는 데에
방해가 됩니다.
이것이 이 춤의 가장 중요한 부분인데 말이죠.
게다가 이들은 춤을 잘 추지 못합니다.
물 분자는 기름 분자가 춤을 출 수 있도록
노력하였지만
기름 분자의 의상에 계속 부딪혔고
기름 분자가 댄스장을 모두 차지 했어요.
기름이 나가면 물은 더 많은 방법으로
춤을 출 수 있었기에
물은 기름을 의자로
밀어냅니다.
곧, 많은 기름이
옆으로 밀려납니다.
이들은 물분자들이 얼마나
불공정한지에 대해 불평하면서
무리지어 모입니다.
분자 사이의
상호 작용과 배열의 결합은
이들이 언제 무작위로 움직일지를
결정합니다.
이것이 이들이 섞일지 말지에 영향을 주는 것이죠.
다른 말로, 물과 기름이 섞이지 않는 이유는
그들은 좋은 춤 상대가 아니기 때문입니다.